蘇常偉，朱海潮，毛榮富

(1.海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

筏架和基座特性對(duì)浮筏隔振效果的影響

蘇常偉1,2，朱海潮1,2，毛榮富1,2

(1.海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

從浮筏隔振系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的廣義四端參數(shù)矩陣入手，推導(dǎo)振級(jí)落差的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，以某型發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置及其船體基座為研究對(duì)象，進(jìn)行數(shù)值仿真，探討筏架與基座對(duì)隔振效果的影響。結(jié)果表明，基座結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)隔振效果產(chǎn)生較大的影響，而筏架結(jié)構(gòu)對(duì)隔振效果的影響較小。

浮筏；隔振效果；振級(jí)落差；基座

0 引 言

浮筏隔振技術(shù)是控制機(jī)械設(shè)備振動(dòng)向船體傳遞的有效手段，因其良好的隔振效果而受到極大關(guān)注[1]，并已獲得廣泛應(yīng)用。目前浮筏技術(shù)的研究主要集中在如何提高其隔振效果、浮筏隔振系統(tǒng)的規(guī)范設(shè)計(jì)、隔振效果的計(jì)算與評(píng)估等方面。張華良等[2]從隔振傳遞率的角度研究了筏架質(zhì)量、剛度和機(jī)構(gòu)阻尼對(duì)整個(gè)系統(tǒng)隔振性能的影響；江國(guó)和等[3]以系統(tǒng)固有頻率和筏架振動(dòng)響應(yīng)為依據(jù)，研究隔振器剛度和筏架質(zhì)量對(duì)隔振性能的影響；張冰等[4]推導(dǎo)了一種用于浮筏隔振系統(tǒng)傳遞功率流計(jì)算的新方法，計(jì)算分析了筏架安裝和機(jī)組振幅比對(duì)隔振效果的影響。

另一方面，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的浮筏隔振裝置多次出現(xiàn)陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)效果較好，而實(shí)船效果較差的情況。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的一個(gè)原因可能是被隔振機(jī)組與船體結(jié)構(gòu)間因?yàn)楣苈贰㈦娎|而引起的所謂聲傳遞第2通道[5]，此問(wèn)題可通過(guò)管路系統(tǒng)的柔性連接和彈性支撐等方法解決；另一個(gè)原因可能是船體安裝基座的影響，陸上聯(lián)調(diào)時(shí)，基座阻抗很大，而實(shí)船基座的阻抗較小。那么，在質(zhì)量有限的條件下，如何設(shè)計(jì)船體基座，提高浮筏隔振系統(tǒng)的效果,有關(guān)研究尚不多見(jiàn)。本文以某型發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置及其船體基座為研究對(duì)象，利用廣義四端參數(shù)法，探討了筏架參數(shù)和船體基座參數(shù)對(duì)隔振效果的影響，得到了有益的結(jié)論。

1 浮筏隔振系統(tǒng)

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

浮筏隔振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示，由振源(機(jī)器)系統(tǒng)、上下層隔振器系統(tǒng)、中間筏架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和基座結(jié)構(gòu)系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)組成。在該系統(tǒng)中,機(jī)組由于剛性較好,一般可視作為剛體,筏架與基座的結(jié)構(gòu)相對(duì)機(jī)組而言較為單薄,應(yīng)視為彈性體。

圖1 浮筏隔振裝置的動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 The mechanical model of raft vibration isolation system

系統(tǒng)狀態(tài)空間S可表示為：S={Fe,Vo;F1,V1;F2,V2;F3,V3;F4,V4}。

(1)

式中：Fe為激勵(lì)向量,Vo為機(jī)器質(zhì)心處速度響應(yīng)向量；F1,V1為上層隔振器的輸入端力向量和速度響應(yīng)向量；F2,V2為上層隔振器的輸出端力向量和速度響應(yīng)向量；F3,V3為下層隔振器的輸入端力向量和速度響應(yīng)向量；F4,V4為下層隔振器的輸出端力向量和速度響應(yīng)向量。

1.2 系統(tǒng)分析

對(duì)圖1中浮筏隔振裝置利用廣義四端參數(shù)法可得：

(2)

V4=EF4。

(3)

1.3 振級(jí)落差LD

目前，通常采用振級(jí)落差來(lái)評(píng)定各種實(shí)際系統(tǒng)的隔振效果。這里選用速度振級(jí)落差，則有

(4)

式中：V1i為機(jī)器與上層隔振器聯(lián)結(jié)界面上第i個(gè)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)處的速度響應(yīng)；V4j為下層隔振器與基座聯(lián)結(jié)界面上第j個(gè)聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)處的速度響應(yīng)；m為上層隔振器數(shù)目；n為下層隔振器數(shù)目。

聯(lián)合式(2)～式(4)，即可求解振級(jí)落差。

2 數(shù)值仿真

2.1 模型建立與驗(yàn)證

為探討筏架與基座特性對(duì)隔振效果的具體影響，本文以某型發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置及其基座為對(duì)象進(jìn)行分析研究。該裝置主要參數(shù)如下：2臺(tái)發(fā)電機(jī)組型號(hào)相同(質(zhì)量mo=4 366 kg，轉(zhuǎn)速1 500 r/min)；筏架為板架焊接結(jié)構(gòu)，質(zhì)量M=2 280 kg，尺寸2 800 mm×2 800 mm×250 mm；每臺(tái)機(jī)組通過(guò)8只固有頻率6 Hz、額定承載能力600 kg的橡膠隔振器平置安裝在筏架上；下層隔振器為8只固有頻率4.5 Hz、承載能力1 400 kg的氣囊隔振器，也為平置安裝；基座為由面板、腹板和肘板構(gòu)成的焊接結(jié)構(gòu)。建立該浮筏隔振裝置的有限元模型，如圖2所示，以獲得矩陣A，C，E等相關(guān)參數(shù)。

為了驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，首先對(duì)浮筏筏架進(jìn)行了模態(tài)測(cè)試，并將模態(tài)測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體模態(tài)頻率的對(duì)比如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看到，模態(tài)測(cè)試結(jié)果與有限元模型計(jì)算得到的結(jié)果較為接近，模態(tài)頻率的誤差最大也只在6%左右，考慮到筏架加工和測(cè)試誤差等因素，上述誤差在正常的偏差范圍之內(nèi)。以上分析證明了有限元模型的準(zhǔn)確性，因而所建立的有限元模型可以用于隔振系統(tǒng)的響應(yīng)分析。

圖2 某型發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置的有限元模型

Fig.2 The finite element model of the generator and raft system

表1 有限元分析與模態(tài)測(cè)試的模態(tài)頻率對(duì)比

2.2 筏架與基座對(duì)隔振效果的影響

2.2.1 筏架設(shè)計(jì)對(duì)隔振效果的影響

筏架設(shè)計(jì)參數(shù)分為剛體影響參數(shù)和彈性影響參數(shù)。

剛體影響參數(shù)包括質(zhì)量與3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。眾所周知，增加筏架質(zhì)量可以提高隔振效果，但由于增加質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)于笨重而使其應(yīng)用價(jià)值降低，一般不采用此方法提高隔振效果。因此，下面只對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響進(jìn)行研究。分別將筏架的橫向、縱向、垂向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取其初值的0.5～1.5倍，根據(jù)式(4)，3種情況下的振級(jí)落差曲線和總振級(jí)落差如圖3～圖4所示。由圖3可見(jiàn)，改變筏架橫向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)振級(jí)落差的影響并不明顯。由圖4可見(jiàn)，增大筏架縱向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總體能使振級(jí)落差略為增大，當(dāng)取值從0.5倍變化至1.5倍時(shí)，總振級(jí)落差的變化范圍始終在3 dB以內(nèi)。由圖5可見(jiàn)，增大筏架垂向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)振級(jí)落差的影響不明顯。

圖3 橫向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)振級(jí)落差的影響Fig.3 Effect of transverse moment of inertia on vibration level difference

圖4 縱向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)振級(jí)落差的影響Fig.4 Effect of fore-and-aft moment of inertia on vibration level difference

圖5 垂向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)振級(jí)落差的影響Fig.5 Effect of vertical moment of inertia on vibration level difference

彈性影響參數(shù)的影響可以用筏架的首階彈性模態(tài)頻率的影響進(jìn)行探討。將筏架的首階彈性模態(tài)頻率取其初值的1～10倍，根據(jù)式(4)可得，振級(jí)落差曲線和總振級(jí)落差如圖6所示。圖6表明，增大筏架的首階彈性模態(tài)頻率對(duì)振級(jí)落差的影響不大，首階彈性模態(tài)頻率增大到原來(lái)10倍時(shí)，總振級(jí)落差的變化范圍小于0.2 dB。分析可知，該隔振裝置中筏架的首階模態(tài)頻率值為38.3 Hz，相對(duì)于機(jī)組主要激勵(lì)頻率25 Hz(1 500 r/min)來(lái)說(shuō)，其彈性影響不大，可以看成剛體浮筏。因此，對(duì)于此裝置，從改善隔振效果角度來(lái)看，沒(méi)有必要一味提高其剛度。

圖6 筏架的彈性模態(tài)頻率對(duì)振級(jí)落差的影響Fig.6 Effect of the elastic modal frequency of raft on vibration level difference

2.2.2 基座設(shè)計(jì)對(duì)隔振效果的影響

盡管已有學(xué)者開(kāi)展了基座對(duì)隔振系統(tǒng)的隔振效果影響的研究，但在浮筏隔振裝置的設(shè)計(jì)中，尚未將基座納入進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)?；Y(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)的剛性/導(dǎo)納對(duì)隔振效果的影響。下面以基座的首階彈性模態(tài)頻率的影響進(jìn)行探討。將基礎(chǔ)的首階彈性模態(tài)頻率取其初值的1～10倍，根據(jù)式(4)可得，振級(jí)落差曲線和總振級(jí)落差如圖7所示。

圖7 基礎(chǔ)的彈性模態(tài)頻率對(duì)振級(jí)落差的影響Fig.7 Effect of the elastic modal frequency of base on vibration level difference

由圖7可見(jiàn)，增大基座的彈性模態(tài)頻率對(duì)振級(jí)落差的影響非常明顯，增大基座的彈性模態(tài)頻率可以顯著提高總振級(jí)落差。因此，為有效地控制動(dòng)力設(shè)備的振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮浮筏基座參數(shù)的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文選取速度振級(jí)落差評(píng)估隔振效果，利用廣義四端參數(shù)法推導(dǎo)出了求解振級(jí)落差LD的方法，結(jié)合某型發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置及其船體基座，探討了筏架設(shè)計(jì)參數(shù)和基座設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隔振效果的影響。通過(guò)上述研究得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于該型發(fā)電機(jī)組浮筏隔振裝置，在不改變?cè)瓉?lái)筏架質(zhì)量的前提下，改變筏架在3個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者改變筏架的剛度，對(duì)隔振效果的影響較?。?/p>

2)改變基座結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)隔振效果產(chǎn)生較大的影響，提高基座的首階彈性模態(tài)頻率可以顯著增強(qiáng)隔振效果，因此，浮筏系統(tǒng)的基座設(shè)計(jì)應(yīng)受到充分的關(guān)注，其重要性并不亞于筏體以及隔振器的設(shè)計(jì)。

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Influences on isolation effectiveness of a generator set and raft vibration isolation system

SU Chang-wei1,2， ZHU Hai-chao1,2， MAO Rong-fu1,2

(1.Institute of Noise and Vibration, Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise,Naval University of Engineering,Wuhan 430033, China)

An approach is deduced to calculate vibration level difference in accordance with the generalized four-pole parametric matrices of each subsystem in the raft vibration isolation system. With a generator set and raft vibration isolation system and its base as the object of the research, numerical simulations are carried out, and the influences of raft and base on isolation effectiveness are discussed. The results indicate that, the base has a greater influence on isolation effectiveness, but the influence of raft is small.

floating raft; isolation effectiveness; vibration level difference; base

2013-09-09;

2013-10-12

蘇常偉(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制。

TB53；TB123

A

1672-7649(2014)12-0039-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.008